航空機エンジンの薄肉、特殊形状、複雑形状ブレードの精密加工技術と設備

航空エンジンの性能を達成するための重要な部品として、ブレードは薄肉、特殊形状、複雑な構造、加工が難しい材料、そして高い加工精度と表面品質が要求されるという典型的な特徴を持っています。ブレードの精密で効率的な加工をどのように実現するかは、現在の航空エンジン製造分野における大きな課題です。ブレードの加工精度に影響を与える主要要因を分析し、ブレードの精密加工技術および設備に関する現在の研究状況を総合的にまとめ、航空エンジン用ブレード加工技術の発展方向について展望します。

航空宇宙産業では、軽量で高強度の薄肉部品が広く使用されており、航空機エンジンなどの重要な装備の性能を達成するためのキーコンポーネントです[1]。例えば、大バイパス比の航空機エンジンのチタン合金製ファンブレード（図1参照）は最大1メートルの長さがあり、複雑なブレード形状と減衰プラットフォーム構造を持ち、最も薄い部分の厚さはわずか1.2 mmであり、これは典型的な大型の薄肉特殊形状部品です[2]。典型的な薄肉特殊形状の低剛性部品であるブレードは、加工中に変形や振動が発生しやすいため、これらの問題はブレードの加工精度と表面品質に深刻な影響を与えます[3]。

エンジンの性能は很大程度にブレードの製造レベルに依存します。エンジンの運転中、ブレードは高温や高圧などの極限運転環境下で安定して動作する必要があります。これには、ブレード材料が優れた強度、疲労耐性、および高温腐食抵抗性を持ち、構造的な安定性を確保することが必要です[2]。通常、航空機エンジンのブレードにはチタン合金または高温合金が使用されます。しかし、チタン合金や高温合金は加工性が悪いのが特徴です。切削プロセス中、切削力が大きく、工具の摩耗が速くなります。工具の摩耗が増加すると、切削力がさらに増大し、その結果、加工変形や振動がより深刻になり、部品の寸法精度が低く、表面品質が悪くなります。極限の作業条件下でのエンジンの使用性能要件を満たすために、ブレードの加工精度と表面品質は非常に高いです。国内で生産される高バイパス比ターボファンエンジンに使用されるチタン合金のファンブレードを例に取ると、ブレードの全長は681mmですが、厚さは6mm未満です。形状要件は-0.12mmから+0.03mmまでであり、吸気および排気エッジの寸法精度は-0.05mmから+0.06mmまでで、ブレード断面のねじれ誤差は ± 10′, そして表面粗さ値Raは0.4より優れています μ m。これは通常、5軸CNC機械工具での精密加工を必要とします。しかし、ブレードの剛性が弱く、構造が複雑で、加工が難しい材料であるため、加工精度と品質を確保するために、作業者は加工中に切断パラメータを多次に調整する必要があり、これによりCNC加工センターの性能が深刻に制限され、大きな効率の損失が発生します[4]。したがって、CNC加工技術の急速な発展とともに、薄肉部品の加工における変形制御と振動抑止を実現し、CNC加工センターの加工能力を十分に発揮することは、高度な製造企業にとって急務となっています。

薄肉弱剛性部品の変形制御技術に関する研究は、長い間エンジニアや研究者の注目を集めています。初期の生産実践では、人々はしばしば薄肉構造の両側で交互にミリングを行うウォーターライン戦略を使用し、これにより変形や振動が寸法精度に与える悪影響を一定程度低減できます。さらに、補強リブなどの予備の犠牲構造を設置して加工剛性を向上させる方法もあります。

難削材の切削技術

高温高圧環境下での安定したサービスを満たすために、航空機エンジンのブレードに一般的に使用される材料はチタン合金または高温合金です。近年では、チタンアルミニウム間金属化合物も大きな応用ポテンシャルを持つブレード材料となっています。チタン合金には熱伝導率が低く、塑性が低く、弾性係数が低く、親和力が強いという特徴があり、これにより切削時に大きな切り出し力、高い切削温度、深刻な作業硬化、および大きな工具摩耗などの問題が発生します。これらは典型的な難削材です（微細構造形態は図2aを参照）[7]。高温合金の主な特徴は、高い塑性と強度、不良な熱伝導率、そして大量の密実な固溶体内部です[8]。切削中の塑性変形は格子の大きな歪みを引き起こし、高い変形抵抗、大きな切り出し力、そして深刻な冷間硬化現象を引き起こします。これらも典型的な難削材です（微細構造形態は図2bを参照）。したがって、チタン合金や高温合金などの難削材に対する効率的で精密な切削技術を開発することは非常に重要です。難削材の効率的かつ精密な加工を達成するために、国内外の学者たちは、革新的な切削方法、最適な加工工具材料、および最適化された切削パラメータの観点から詳細な研究を行っています。

2.1 切削加工方法の革新

革新的な研究開発において、学者たちは切断方法の改善のためにレーザー加熱や超低温冷却などの補助手段を導入し、材料の切削性を向上させ、効率的な切断を実現しました。レーザー加熱支援加工 [9]（図3a参照）の動作原理は、高出力レーザービームを刃先の前方のワークピース表面に焦点を合わせ、ビームによる局所加熱で材料を軟化させ、材料の屈服強度を低下させることで、切削力を減らし、工具の摩耗を低減し、切削の品質と効率を向上させるものです。超低温冷却支援加工 [10]（図3b参照）では、液体窒素や高圧二酸化炭素ガスなどの冷却媒体を使用して、切削部分に噴射し、材料の熱伝導が悪いことによる局所的な過剰な切削温度の問題を回避し、ワークピースを局所的に冷たく脆くすることで、切り屑の破砕効果を向上させます。イギリスのNuclear AMRC社は、高圧二酸化炭素ガスを使用してチタン合金の加工プロセスを冷却することに成功しました。ドライカット状態と比較すると、分析によると、超低温冷却支援加工は切削力を低減し、切削面の品質を向上させるだけでなく、工具の摩耗を効果的に減少させ、工具の寿命を延ばすことができます。さらに、超音波振動支援加工 [11, 12]（図3c参照）も、難削材の効率的な切削に有効な方法です。工具に高周波・小振幅の振動を適用することで、加工中に工具とワークピースの間で間欠的な分離を達成し、材料除去メカニズムを変更し、動的切削の安定性を向上させ、工具と加工面間の摩擦を効果的に回避し、切削温度と切削力を低減し、表面粗さ値を減少させ、工具の摩耗を減少させます。その優れた加工効果は広範な注目を集めています。

2.2 ツール材質の選択

切削が難しい材料、例えばチタン合金の場合、ツール材質を最適化することで切削結果を効果的に改善できます [8, 13]。研究によると、チタン合金加工では加工速度に応じて異なる工具を選択できます。低速切削では高コバルト高速度鋼を使用し、中速切削ではアルミニウム酸化物コーティング付きのセラミック工具を使用し、高速切削では立方窒化ホンダ（CBN）工具を使用します。高温合金加工では、高硬度で良好な耐摩耗性を持つ高バナジウム高速度鋼またはYGセラミック工具を使用すべきです。

2.3 最適な切削パラメータ

切削パラメータは、加工効果に影響を与える重要な要因でもあります。対応する材料に対して適切な切削パラメータを使用することで、加工品質と効率を効果的に向上させることができます。例えば、切削速度のパラメータを取り上げると、低い切削速度では材料表面に付着エッジ領域が形成されやすくなり、表面加工精度が低下します。一方で、高い切削速度では熱が蓄積しやすく、作業物や工具に焼き付きが発生する可能性があります。この点に関して、ハルビン工科大学の翟元生教授のチームは、一般的に加工が難しい材料の機械的・物理的特性を分析し、直交加工実験を通じて難削材の推奨切削速度表をまとめました[14]（表1参照）。この表に記載されている工具と切削速度を使用して加工を行うことで、加工欠陥や工具の摩耗を効果的に低減し、加工品質を向上させることができます。

3つの精密CNC加工技術は複雑なブレード形状に適用されます

近年、航空産業の急速な発展と市場需要の増加に伴い、薄肉ブレードの効率的かつ高精度な加工に対する要求がますます高まっており、より高精度な変形制御技術への需要が急増しています。スマート製造技術の文脈では、現代の電子情報技術を組み合わせて、航空機エンジンブレード加工における変形と振動のスマートコントロールを実現することが多くの研究者の注目を集めています。ブレードの複雑な曲面の精密加工にスマートCNCシステムを導入し、加工プロセスにおける誤差を積極的に補正することで、変形や振動を効果的に抑制できます。

加工プロセスにおけるアクティブな誤差補償のために、工具パスなどの加工パラメータの最適化と制御を行うには、まずプロセスパラメータが加工変形や振動に与える影響を把握する必要があります。一般的に使用される方法は2つあります：1つは、機上測定と誤差解析を通じて各工具パスの結果を分析し推論する方法[15]；もう1つは、動的解析[16]、有限要素法モデリング[17]、実験[18]、ニューラルネットワーク[19]などの手法を使用して、加工変形と振動の予測モデルを構築する方法です（図4参照）。

上記の予測モデルまたはオンマシン測定技術に基づき、人々は加工パラメータを最適化し、さらにはリアルタイムで制御することが可能です。主流の方向性としては、変形や振動によって引き起こされる誤差を工具パスの再計画によって補正することです。この分野で一般的に使用されている方法は「ミラー補正法」[20]（図5参照）です。この方法は、名義上の工具軌跡を修正することで単一の切削変形を補正しますが、単一の補正では新しい加工変形が発生する可能性があります。そのため、複数回の補正を通じて、切削力と加工変形の間の反復的な関係を確立し、変形を順次補正する必要があります。工具パス計画に基づく能動的な誤差補償法の他にも、多くの学者が切削パラメータや工具パラメータを最適化・制御して変形や振動を抑制する方法について研究しています。ある種の航空機エンジンブレードの切削において、加工パラメータを変更して多次元の直交試験を行い、試験データに基づいて各切削パラメータおよび工具パラメータがブレードの加工変形や振動応答に与える影響を分析しました[21-23]。経験的予測モデルを構築し、加工パラメータを最適化することで、効果的に加工変形を低減し、切削振動を抑制しました。

これらのモデルと方法に基づき、多くの企業がCNC加工センターのCNCシステムを開発または改良し、薄肉部品加工パラメータのリアルタイム適応制御を実現しました。イスラエルのOMAT社の最適ミリングシステム [24] は、この分野における典型的な代表例です。これは主に適応技術を通じて給与速度を調整し、定力ミリングを達成し、複雑な製品の高効率かつ高品質な加工を実現します。さらに、北京精雕も機上測定による適応補償を用いた卵殻表面模様彫刻の古典的な技術事例で同様の技術を適用しました [25]。アメリカGEのTHERRIEN [26] は、加工中のCNC加工コードに対するリアルタイム修正法を提案し、これが複雑な薄肉ブレードの適応加工およびリアルタイム制御の基本的な技術手段を提供しました。ヨーロッパ連合の航空機エンジンタービン部品向け自動修復システム（AROSATEC）は、添加製造によるブレード修復後の適応精密ミリングを実現し、ドイツのMTU社やアイルランドのSIFCO社のブレード修復生産に応用されています [27]。

4. スマートなプロセス設備に基づく加工剛性の向上

プロセスシステムの剛性を向上させ、減衰特性を改善するために知能型プロセス設備を使用することは、薄肉ブレード加工における変形や振動を抑制し、加工精度と表面品質を向上させるための有効な方法でもあります。近年、さまざまな種類の航空エンジン用ブレードの加工に多くの異なるプロセス設備が使用されてきました[28]。航空エンジン用ブレードは一般的に薄肉で不規則な構造特性を持ち、小さい固定・押さえ面積、低い加工剛性、そして切削負荷による局所的な変形があるため、ブレード加工設備は通常、六点支持原則を満たす基础上でワークに補助サポートを適用し、プロセスシステムの剛性を最適化し、加工変形を抑制します。薄肉で不規則な曲面は、治具の固定および押さえに対して二つの要件を提示しています。第一に、治具の押さえ力または接触力は、ワークピースの曲面上でできるだけ均等に分布する必要があります。これにより、押さえ力の作用によるワークピースの深刻な局所変形を回避できます。第二に、治具の位置決め、押さえ、および補助サポート要素は、ワークピースの複雑な曲面に更好地合する必要があり、各接触点で均一な表面接触力を生成します。これらの二つの要件に対応して、研究者たちはフレキシブル治具システムを提案しました。フレキシブル治具システムは、相変化フレキシブル治具と適応型フレキシブル治具に分けることができます。相変化フレキシブル治具は、流体の相変化前後の剛性と減衰の変化を利用します。液相または移動相にある流体は低剛性と低減衰を持ち、低圧下でワークピースの複雑な曲面に適合します。その後、電気/磁気/熱などの外部力によって流体が固体相に変化したり凝固したりすることで、剛性と減衰が大幅に向上し、ワークピースに均一で柔軟なサポートを提供し、変形や振動を抑制します。

航空機エンジンの叶片の伝統的な加工技術におけるプロセス設備は、低融点合金などの相変化材料を使用して充填補助支持を行う方法です。つまり、ワークピースの毛材が6点で位置決めおよび固定された後、低融点合金によってワークピースの位置決め基準が鋳造ブロックに形成され、ワークピースに補助支持を提供し、複雑な点位置決めを規則的な面位置決めに変換し、その後加工対象部品の精密加工を行います（図6参照）。このプロセス方法には明らかな欠点があります：位置決め基準の変換により位置決め精度が低下し、生産準備が複雑であり、低融点合金の鋳造と溶解はワークピース表面に残留物やクリーニング問題を引き起こします。同時に、鋳造および溶解条件も比較的劣悪です[30]。上記のプロセス欠陥を解決するために一般的な方法は、相変化材料と組み合わせた多点支持構造を導入することです[31]。支持構造の上端はワークピースに接触して位置決めを行い、下端は低融点合金室に浸漬されます。低融点合金の相変化特性に基づいて柔軟な補助支持が実現されます。支持構造の導入により、低融点合金が叶片に接触することで引き起こされる表面欠陥を回避できますが、相変化材料の性能制限により、相変化フレキシブル治具は高剛性と高速応答という2つの主要な要件を同時に満たすことができず、高効率自動生産への適用が困難です。

フェーズ変化型フレキシブルツーリングの欠点を解決するために、多くの学者が適応概念をフレキシブルツーリングの研究開発に取り入れています。適応型フレキシブルツーリングは、電気機械システムを通じて複雑なブレード形状や可能な形状誤差に適応的に対応できます。全ブレードに接触力が均等に分布するよう確保するために、ツーリングでは通常、多点補助サポートを使用してサポートマトリックスを形成します。清華大学の王輝チームは、ニアネットシェイプブレード加工に適した多点フレキシブル補助サポートプロセス設備を提案しました[32, 33]（図7参照）。このツーリングは、ニアネットシェイプブレードのブレード面を支持するために複数のフレキシブル材料のクランピング要素を使用し、接触面積を増加させます。 ​​ 各接触面積とし、締め付け力が各接触部および全体のブレードに均等に分布するようにし、これによりプロセスシステムの剛性を向上させ、効果的にブレードの局所変形を防止します。この治具は複数の受動的な自由度を持ち、過定位を回避しながらブレード形状とその誤差に適応することができます。さらに、柔軟な材料を通じて適応サポートを実現するだけでなく、電磁誘導の原理も適応的なフレキシブル治具の研究開発に適用されています。北京航空航天大学の楊一慶チームは、電磁誘導の原理に基づく補助支持装置を開発しました[34]。この治具は、電磁信号によって励起される柔軟な補助支持を使用しており、プロセスシステムの減衰特性を変えることができます。締め付けの過程では、永久磁石の作用によりワークピースの形状に適応してマッチングします。加工中には、ワークピースから発生する振動が補助支持に伝わり、電磁誘導の原理に基づいて逆の電磁力を励起することで、薄肉ワークピース加工時の振動を抑制します。

現在、プロセス機器の設計においては、有限要素解析や遺伝的アルゴリズムなどの方法が一般的に使用され、多点補助支持の配置を最適化しています[35]。しかし、最適化結果は通常、一点での加工変形を最小限に抑えることを保証するだけで、他の加工部分で同じ変形抑制効果が得られるとは限りません。ブレードの加工プロセスでは、通常、同一の工作機械上でワークピースに対して一連の工具パスが実行されますが、異なる部分を加工する際の固定要件は異なり、時間とともに変動することもあります。静的な多点支持方式の場合、補助支持の数を増やしてプロセスシステムの剛性を向上させると、一方で工具の質量と体積が増え、他方で工具の移動スペースが圧縮されます。また、異なる部分を加工する際に補助支持の位置を再設定すると、加工プロセスが必然的に中断され、加工効率が低下します。したがって、加工プロセスに応じてサポートレイアウトとサポート力をオンラインで自動調整する後続プロセス機器[36-38]が提案されています。後続プロセス機器（図8参照）は、任意の加工手順が始まる前に、時変切削プロセスの工具軌跡と作業条件の変化に基づいて、工具と治具の協調動作によって動的サポートを実現します：まず、補助支持を現在の加工変形を抑制するのに役立つ位置に移動し、加工領域を  ワークピースは積極的に支持され、その他の部分はできるだけ少ない接触で位置を維持されるため、加工プロセス中の時間変化に応じたクランプ要件に適合します。

プロセス設備の適応的な動的サポート能力をさらに向上させ、加工プロセスにおけるより複雑な挟み込み要件に適合し、ブレード加工生産の品質と効率を向上させるために、後続の補助サポートは、複数の動的補助サポートによって構成されるグループに拡張されます。各動的補助サポートは動作を協調し、製造プロセスの時間依存的な要求に従って、サポートグループとワークピース間の接触を自動的にかつ迅速に再構築する必要があります。この再構築プロセスでは、ワークピース全体の位置決めに干渉せず、局所的な移動や振動を引き起こしません。この概念に基づくプロセス設備は自己再構成グループ治具と呼ばれ、柔軟性、再構成可能性、自律性の利点を持っています。自己再構成グループ治具は、製造プロセスの要件に応じて複数の補助サポートを支持面の異なる位置に割り当てることができ、大面積の複雑な形状のワークピースに対応しながら、十分な剛性を確保し、冗長なサポートを排除します。治具の動作方法は、コントローラがプログラムされたプログラムに基づいて指示を送信し、モバイルベースが指示に従ってサポート要素を目標位置に持ち運びます。サポート要素はワークピースの局所幾何形状に適合して準静的サポートを実現します。単一のサポート要素と局所ワークピース間の接触領域の動的特性（剛性と減衰）は、サポート要素のパラメータ（例えば、油圧サポート要素は通常、入力油圧を変更することで接触特性を変更できます）を変更することによって制御可能です。プロセスシステムの動的特性は、複数のサポート要素とワークピース間の接触領域の動的特性の結合によって形成され、各サポート要素のパラメータとサポート要素グループの配置に関連しています。自己再構成グループ治具の多点支持再構築案の設計には、次の3つの問題を考慮する必要があります：ワークピースの幾何形状への適合、サポート要素の迅速な再配置、複数のサポートポイントの協調動作です。したがって、自己再構成グループ治具を使用する際には、ワークピース形状、負荷特性、固有の境界条件を入力として使用し、異なる加工条件下での多点支持レイアウトと支持パラメータを解決し、多点支持の動きのパスを計画し、解決結果から制御コードを生成してコントローラにインポートする必要があります。現在、国内外の学者たちは自己再構成グループ治具に関するいくつかの研究と試みを行っています。海外では、EUプロジェクトSwarmItFIXは新しい非常に適応性の高い自己再構成治具システムを開発しました。このシステムは、作業台上で自由に移動し、リアルタイムで再配置できる一連のモバイル補助サポートを使用して、加工部品をよりよくサポートします。SwarmItFIXシステムのプロトタイプは本プロジェクトで実装され（図9a参照）、イタリアの航空機メーカーの現場でテストされました。中国では、清華大学の王輝チームは工作機械と協調して制御可能な4点クランプサポート作業台を開発しました（図9b参照）。この作業台は、タービンブレードのテンオンの精密加工中に工具を自動的に回避し、懸垂テンオンをサポートできます。加工プロセス中、4点の補助サポートはCNC加工センターと協調して、工具の移動位置に応じて4点の接触状態を再構築します。これにより、工具と補助サポート間の干渉を避けながら、サポート効果を確保します。

5 未来の開発トレンドに関する議論

5.1 新素材

航空エンジンの推力重量比の設計要件が引き続き増加するにつれて、部品数は徐々に減少し、部品の応力レベルはますます高くなっています。2つの主要な伝統的な高温構造材料の性能はその限界に達しています。近年、航空機エンジン用ブレードの新素材が急速に発展しており、ますます多くの高性能素材が薄肉ブレードの製造に使用されています。その中でも、 γ -TiAl合金[43]は、高い比強度、耐高温性、優れた酸化防止特性などの優れた特性を持っています。同時に、その密度は3.9g/cm3であり、高温合金の半分に過ぎません。将来、700-800℃の温度範囲でブレードとして大きな潜在能力を持っています。 °C 尽管 γ -TiAl合金は優れた機械的特性を持っていますが、その高い硬度、低い熱伝導率、低い破壊靭性および高い脆さにより、表面状態が悪化し、精度が低くなります。 γ -TiAl合金材を切削する際には、部品の耐用年数に深刻な影響を与えることがあります。したがって、 γ -TiAl合金の加工に関する研究は重要な理論的意義と価値を持ち、現在のブレード加工技術における重要な研究方向です。

5.2 時間変化適応加工

タービンブレードは複雑な曲面を持ち、高い形状精度が要求されます。現在、その精密加工には主にパス計画とモデル再構築に基づく幾何学的適応加工方法が使用されています。この方法は、位置決めや固定などの誤差によるブレード加工精度への影響を効果的に低減できます。しかし、金型鍛造のブレード半製品の厚みが均一でないため、計画されたパスに従った切削プロセスでは工具の異なる領域での切削深さが異なり、これにより切削プロセスに不確実な要素が加わり、加工の安定性に影響します。将来、CNC適応加工プロセスにおいては、実際の加工状態の変化をよりよく追跡する必要があり[44]、これにより複雑な曲面の加工精度が大幅に向上し、リアルタイムのフィードバックデータに基づいて切削パラメータを調整する時変制御適応加工方法が形成されます。

5.3 インテリジェント加工設備

エンジン内で最大の部品タイプとして、ブレードの製造効率は直接エンジンの全体的な製造効率に影響し、ブレードの製造品質はエンジンの性能と寿命に直接影响します。そのため、ブレードの知能化された精密加工は、現在世界中のエンジンブレード製造の発展方向となっています。工作機械や工程設備の研究開発は、知能化されたブレード加工を実現するための鍵です。CNC技術の発展に伴い、工作機械の知能レベルは急速に向上し、加工および生産能力が大幅に強化されました。したがって、薄肉ブレードの高効率かつ精密な加工を達成するために、知能化された工程設備の研究開発と革新は重要な発展方向です。高度な知能化CNC工作機械と工程設備を組み合わせることで、知能型ブレード加工システム（図10参照）が形成され、薄肉ブレードの高精度、高効率、適応型CNC加工を実現します。